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Até o início do século passado, os cientistas explicavam o equilíbrio térmico devido a uma substância chamada calórico. Como esta teoria não era satisfatória, os cientistas alteraram o conceito de calórico para o de energia.

Proibições da termodinâmica

• são proibidas transformações de energia em que nada se dissipe;
• são proibidos dispositivos que realizem trabalho sem consumo de energia;
• é proibido o fluxo de energia do corpo mais frio para o mais quente;
• é impossível alcançar o nível térmico mais baixo do Universo.

Escalas Termométricas

Para que uma escala termométrica seja criada, convenções arbitrárias são feitas, o que ao longo do tempo criou diversas escalas diferentes. Para eliminar os inconvenientes científicos de tantas escalas, foi internacionalmente convencionado de que a escala Celsius deveria ser usada, e atualmente quase todos os países a usam.

Celsius

O valor indicado pelo termômetro em 0° equivale à temperatura de congelamento da água à pressão de 1 atm. Em 100º, equivale à temperatura da água em ebulição à pressão de 1 atm.

Kelvin

Conhecida também como escala absoluta, determina que o valor 0 corresponde à temperatura mínima que um corpo pode atingir, equivalente a -273ºC. A variação de 1K equivale à de 1ºC. Assim conclui-se que:

$T=t_c+273$

Equilíbrio térmico

A temperatura é o grau de agitação das moléculas ou átomos de um corpo.

Lei Zero da Termodinâmica: Se um corpo A está em equilíbrio térmico com um corpo B e este por sua vez está em equilíbrio térmico com um corpo C, logo se deduz que A está em equilíbrio térmico com C.

O calor é a energia que se transfere de um corpo a outro apenas por causa da diferença de temperatura. Também é chamada de energia térmica. Por ser uma forma de energia, é medido em Joules no SI. (1 cal = 4,18 J)

Capacidade térmica

Normalmente corpos diferentes sofrem variações de temperaturas diferentes, mesmo se receberem uma quantidade de calor idêntica e forem feitos do mesmo material. A capacidade térmica define esta diferença na variação através da seguinte fórmula:

$C=\frac{\mathrm{\Delta }Q}{\mathrm{\Delta }t}$, onde ΔQ é a quantidade de calor fornecida e Δt é a diferença de temperatura obtida.

Calor específico

Como a capacidade térmica varia de corpo para corpo, dividindo-se esta grandeza pela massa do corpo que está sedo medido, descobre-se o calor específico daquele material.

$c=\frac{C}{m}$

Através das fórmulas anteriores pode-se deduzir a quantidade de calor recebida ou emitida por um corpo:

$\mathrm{\Delta }Q=C\mathrm{\Delta }t$, onde C é a capacidade térmica do corpo e ΔT é a variação de temperatura.

$\mathrm{\Delta }Q=mc\mathrm{\Delta }t$, onde m é a massa do objeto, c é o calor específico da substância, e ΔT é a variação de temperatura.

Transferência de Calor

A temperatura nem sempre varia quando uma substância perde ou absorve calor: a mudança de fase permite que o calor, ao invés de gerar energia cinética, gere energia potencial.

Calor latente

Calor latente é a quantidade de energia necessária para certa massa de certa substância mudar de certa fase para outra certa fase sem alterar sua temperatura.

Durante a mudança de fase, é constante a razão entre a quantidade de calor transferida (Q) e a massa (m) de certa substância. Esta constante é o calor latente, e pode ser obtida pela razão: $L=\frac{Q}{m}$

Fluxo de calor

• Fórmulas para cálculo de fluxo de calor:

• $\varphi =\frac{Q}{\mathrm{\Delta }t}$, onde T é o tempo.
• $\varphi =\frac{KA(T_2-T_1)}{e}$, onde K é o coeficiente de condutividade térmica, A é a área da superfície da parede, T é a temperatura e $e$ é a espessura da parede. T2 é a temperatura maior de um dos lados da parede, e T1, a menor, do outro lado.

É possível também juntar as duas fórmulas, possibilitando o cálculo do fluxo em função do tempo.

• $\frac{Q}{\mathrm{\Delta }t}=\frac{KA(T_2-T_1)}{e}$

Dilatação

Exceto em casos específicos, todos os corpos se dilatam quando sua temperatura aumenta.

Dilatação dos sólidos

Dilatação linear

Considerando uma barra de comprimento inicial L₀ à temperatura t₀, percebe-se que seu comprimento passa a ser L quando a temperatura é elevada para t. Em outras palavras, Δt = t - t₀ provocou ΔL = L - L₀ no comprimento da barra. Sendo as variações proporcionais aos valores iniciais, consegue-se deduzir que $\mathrm{\Delta }L=\alpha L_0\mathrm{\Delta }t$, onde α é o coeficiente de dilatação linear, pois $\alpha =\frac{\mathrm{\Delta }L}{L_0\mathrm{\Delta }t}$

Dilatação superficial

$\mathrm{\Delta }A=\beta A_0\mathrm{\Delta }t$, onde β = 2α

Dilatação volumétrica

$\mathrm{\Delta }V=\gamma V_0\mathrm{\Delta }t$, onde γ = 3α

Gases Ideais

As seguintes leis não valem em quaisquer condições, pois as condições-limite tendem a liquefazer os gases (temperaturas próximas de 0K ou pressões muito altas). Por isto estes limites devem ser desconsiderados no estudo dos gases ideais do ensino médio.

Lei de Boyle-Mariotte

A variação do volume de uma amostra de gás é inversamente proporcional à sua variação de pressão, desde que a temperatura permaneça constante.

Em outras palavras, pV = constante. Logo se deduz que também é válida a seguinte: p₀V₀=pV.

Lei de Charles e Gay-Lussac

A temperatura e o volume de uma amostra de gás são diretamente proporcionais, desde que a pressão permaneça constante.

Em outras palavras, $\frac{V_0}{T_0}=\frac{V}{T}$

Atenção: A temperatura não é t, é T, pois somente pode ser expressa em kelvin.

Lei geral dos gases perfeitos

É possível unir as duas leis anteriores e formar uma nova, que permite calcular situações em que variam simultaneamente a pressão, a temperatura e o volume:

$\frac{p_0{V}_0}{T_0}=\frac{pV}{T}$, onde T é a temperatura em Kelvin. Pressão e Volume podem ser expressos em qualquer unidade, desde que suas correspondências estejam na mesma.

Desta pode-se concluir que, em uma mesma amostra de gás:

$\frac{pV}{T}=constante$

Porém a Lei geral dos gases perfeitos também pode ser expressa de duas outras formas:

• pV = nRT, onde n é o número de mol e R é a constante universal dos gases perfeitos, que vale 8,31 J/mol
• pV = NkT, onde N é o número de Avogadro e k é a constante de Boltzmann, que vale 1,38 · 10^-23 J/K

Ligações externas

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